(57)【要約】  エネルギー分解放射線検出器、好ましくはX線検出器、より好ましくはコンピュータ断層撮影検出器の結晶における画素ボリューム閉じ込めの方法であって、前記結晶はカソード側及びアノード側を有し、前記方法は、a.画素仮想限界部に沿って前記結晶内にブレークラインを誘導するステップと、b.前記ブレークラインを不動態化するステップとを有する、方法。
2019502099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー分解放射線検出器、好ましくはX線検出器、より好ましくはコンピュータ断層撮影検出器の結晶における画素ボリューム閉じ込めの方法であって、前記結晶はカソード側及びアノード側を有し、前記方法は、
a.画素仮想限界部に沿って前記結晶内にブレークラインを誘導するステップと、
b.前記ブレークラインを不動態化するステップと
を有し、
前記ブレークラインは、集束イオンビーム及びイオン注入の少なくとも1つによって誘導される、方法。
【請求項２】
前記ブレークラインは、前記結晶の酸化によって不動態化され、前記結晶の酸化部分は、好ましくは10nm未満の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結晶の前記酸化が湿式化学的に行われる、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記結晶の前記酸化が酸化プラズマによって行われる、請求項2に記載の方法。
【請求項５】
前記ブレークラインが集束イオンビームを用いて誘導されるとき、前記結晶の前記酸化前に前記ブレークライン表面をエッチングするステップをさらに有する、請求項２乃至４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ブレークラインは、1μmよりも小さい幅を有する、請求項1乃至5の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ブレークラインは、前記結晶の前記アノード側及び/又は前記結晶の前記カソード側に端部を有する、請求項1乃至6の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記結晶の前記アノード側をドーピング材料で局所的にドーピングするステップをさらに有する、請求項1乃至7の何れか1項に記載の方法。
【請求項９】
前記ドーピングは、
a.前記結晶の前記アノード側の受入領域に前記ドーピング材料を堆積するステップと、
b.前記結晶を通じる前記ドーピング材料拡散を容易化するために、好ましくは少なくとも1つのレーザビームによって前記受入領域を加熱するステップと、
c.非拡散性ドーピング材料を、好ましくはエッチングによって除去ステップと
によって実行される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ドーピング材料はインジウムである、請求項8又は9に記載の方法。
【請求項１１】
前記受入領域は、前記結晶の前記アノード側の少なくとも一部、好ましくは前記結晶の前記アノード側全体を覆う、請求項8又は9に記載の方法。
【請求項１２】
前記受入領域は、前記画素の間及び/又は前記画素領域に配置される、請求項9乃至11の何れか1項に記載の方法。
【請求項１３】
画素仮想限界部に沿った不動態化されるブレークラインを備える結晶を有する、放射線検出器、好ましくはX線検出器、より好ましくはコンピュータ断層撮影検出器。
【請求項１４】
画素仮想限界部に沿った不動態化されるブレークラインを備えるエネルギー分解検出器の結晶を有する、X線スキャナ、好ましくはコンピュータ断層撮影スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー分解検出器の結晶における画素ボリューム閉じ込め方法に関する。本発明は、コンピュータ断層撮影（Computed Tomography）及びスペクトルコンピュータトモグラフィー（Spectra Computed Tomography）においてその主な用途を見出すべきであるが、直接変換に基づく何れかのエネルギー分解光子計数検出器に実際に適用されることができる。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ断層撮影のためのエネルギー分解検出器は、直接変換材料に依存する。このような検出器の画素サイズは、mm2あたりのMcps（ミリオンカウント/秒）で測定される単位面積当たりのカウントレート性能と分解され得るスペクトル情報との間のトレードオフによって決定される。すなわち、より小さい画素は、低減されたエネルギー分解能を犠牲にしてより高い達成可能なカウントレート密度をもたらす。エネルギー分解能の劣化は、主に画素間の電荷共有によって引き起こされる。所与の画素ボリューム内の相互作用に対応する電荷の一部は、隣接画素にドリフトし、その結果、一次光子のエネルギー推定におけるエラー及び相互作用の位置に関する不確実性がもたらされる。
電荷共有は、画素に関する電荷が隣接する画素に対応する電界線にドリフトするときに生じる。電荷クラウドは、有限の非ゼロボリュームを有するので、電荷クラウドは、例えば拡散により、アノードに向かってドリフトするにつれて膨張する。画素間に物理的な境界が存在しないので、この効果は、いくつかの画素閉じ込めメカニズムが存在しない限り避けられることができない。
電荷共有補正法は、発生した電荷を入射X線光子に対する応答として得ることを担うエレクトロニクスに存在する。例えば R. Ballabrigaらの、「改良された分光測定性能を有する単一光子計数モードで動作する画素読み出しチップ、Medipix3プロトタイプ」（Nuclear  Science、IEEE  Transactions   on   Volume   54：Issue   5）である。しかしながら、このような方法は、入射光子ごとに、何れの隣接イベントも原画素内に完全な電荷を配置するために、評価され、調停される必要があるため、カウントレート性能の点でかなりのペナルティを招く。
従来、ダイレクトコンバータの加工が提案されている。しかしながら、これは、大きな欠陥の形成又は完全な破裂の点で重大な結果を伴う、非常に脆い結晶、例えばCdTe、CdZnTeにおいて実行される、ソーイング、ミリング、及び/又はエッチングような非常に介入的な方法を必要とする。 FIBミリング/エッチングを利用して基板上に導波路構造を作成することは、MoberlyChanら（MRS   BULLETIN・VOLUME   32・2007年5月）から知られる。
この問題を解決しようとする代替技術が開発されている。例えば、US20110211668は、結晶成長を操作することによって画素を閉じ込めることを教示する。結晶上の微細な没入部を破壊、エッチング又はミリングするのではなく、電界を誘導することによって画素間の電荷共有を制限することも、US20140048714から知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、電荷共有の問題を回避するために、既存の結晶の画素を物理的に閉じ込める方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の問題に対処するために、本発明は、画素境界部を生成することによって画素間の電荷共有を最小化することを目的とする。より詳細には、本発明は、エネルギー分解放射線検出器、好ましくはX線検出器、より好ましくはコンピュータ断層撮影（CT）検出器の結晶における画素ボリューム閉じ込め方法であって、前記結晶は、カソード側及びアノード側を有し、
画素仮想限界部に沿って結晶内にブレークラインを誘導するステップと、
ブレークラインを不動態化するステップと
【０００５】
を有し、
前記ブレークラインは、集束イオンビーム及びイオン注入の少なくとも1つによって誘導される、
方法に関する。
画素仮想限界部は、カソード上の正射影が実際の画素限界に一致する結晶の領域に対応する。画素仮想限界部「に沿って」は、画素仮想限界部と「同じ方向に」と理解されるべきであり、すなわち、ブレークラインは、画素仮想限界部に近似的に中心に置かれることになる。特に、この文言はブレークラインの厚さについては想定していない。
結晶構造の破壊のために、画素内の相互作用によって引き起こされる電子は、結晶ブレークラインの間で隣接画素にドリフトすることができない。しかしながら、結晶欠陥は一般に電荷捕獲の位置をもたらす。未処理のまま放置すると、誘導されたブレークラインは電荷捕獲位置にもなり、電界及び電荷収集効率に悪影響を与える。
【０００６】
したがって、本発明の結晶ブレークラインは、それが電荷捕獲位置を構成するのを防止するために不動態化される。
ブレークラインは、集束イオンビーム（FIB）によって誘導されることができる。
FIBを使用してサブミクロンのギャップが可能であるため、非常に微細な分解能が可能になり、画素のボリュームの損失は無視されることができる。
代わりに、結晶に酸化物を導入することによってブレークラインが誘導されることができる。 FIBが行われることができるように物理的に材料を除去する代わりに、酸化物のイオン実装が行われ、隣接する画素によって電荷クラウドが収集されるのを防ぐ酸化領域が形成される。
ブレークラインは、結晶の酸化によって不動態化されることができ、結晶の酸化された部分は、好ましくは10nm未満の厚さを有する。
結晶の酸化は、湿式化学的に又は酸化プラズマによって行われることができる。結晶の酸化の前に、不動態化は、ブレークライン表面をエッチングするステップをさらに有し、ブレークライン表面からの欠陥を除去することを可能にすることができる。ギャップはその後、絶縁材料で充填されることができる。
ブレークラインは、画素サイズをあまり減らさないために、過度に広くされるべきではない。好ましくは、ブレークラインは、1μmよりも狭い幅を有する。
ブレークラインは通常、結晶のアノード側に終点を有し、電荷クラウドは最も幅が広く、拡散の閉じ込めが最大の寄与を有する。
しかしながら、ブレークライン誘導法は、深さが数十μm、好ましくは100μmまでに制限されるので、本発明による電荷閉じ込め構造をカソード側に誘導することも有利であり、画素内への電界線の閉じ込めにさらに寄与する。このように、ブレークラインは、結晶のカソード側に終点を有することができる。
アノード構造の近くの電界線をさらに強化するために、本発明による方法は、結晶のアノード側をドーピング物質で局所的にドーピングするステップをさらに有することができる。
【０００７】
ドーピングは、典型的には、
結晶のアノード側の受入領域にドーピング材料を堆積させるステップと、
結晶を通じたドーピング材料拡散を容易化するために、好ましくは少なくとも1つのレーザビームによって受入領域を加熱するステップと、
非拡散性ドーピング材料を、好ましくはエッチングによって除去するステップと
によって実行される。
ドーピング材料は有利にはインジウムであり得る。実際、インジウムは、CZTに容易に拡散することが知られており、結晶のための典型的な材料である。
受入領域は、結晶のアノード側全体又はその一部だけを覆うことができる。受入領域は、画素間又は画素領域内に配置されることができる。画素間に受入領域を配置することは、電界線を免れる画素間の領域における空間電荷領域の形成を防止することができる。そのような空間電荷領域は、重み付けポテンシャル、したがってアノードの電荷収集特性に影響を及ぼす可能性がある。画素間にドープ領域を導入することにより、その領域内の何れの捕獲電荷も除去されることが容易になり得る。しかしながら、これは低抵抗経路による画素間のクロストーク経路の増加という欠点を有し得るが、ブレークラインの存在はそのような欠点を防止する。
本発明は、画素仮想限界部に沿って不動態化ブレークラインを備える結晶を有する放射線検出器、好ましくはX線検出器、より好ましくはコンピュータ断層撮影検出器にも関する。本発明は、本発明による方法を実施することができる装置にも関する。具体的には、本発明は、画素仮想限界部に沿って不動態化ブレークラインを備えるエネルギー分解検出器の結晶を有するX線スキャナ、好ましくはコンピュータ断層撮影スキャナにも関する。
本発明は、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読めば、添付図面を検討することにより、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】コンピュータ断層撮影装置を示す。
【図２】本発明が実施されていない結晶上の電荷共有問題を示す。
【図３】図2に表された電荷共有問題を本発明が解決することを可能にする方法を概略的に示す。
【図４】本発明による不動態化されたブレークラインを有する検出器の概略断面図である。
【図５】本発明による方法を概略的に示す簡略化されたプロセスフローである。
【図６】本発明による方法からもたらされる検出器の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図1は、コンピュータ断層撮影（CT）スキャナのようなイメージングシステム100の例を概略的に示す。イメージングシステム100は、回転ガントリ102及び静止ガントリ104を含む。回転ガントリ102は、静止ガントリ104によって回転可能に支持される。回転ガントリ102は、検査領域106の周りを縦軸又はz軸の周りで回転するように構成される。イメージングシステム100は、スキャンの前、最中及び/又は後に検査領域106内の被験体又は対象物を支持する被験体支持部107をさらに含む。被験体支持部107は、被験体又は対象物を検査領域106内又は検査領域106からロード及び/又はアンロードするためにも使用され得る。イメージングシステム100は、回転ガントリ102によって回転可能に支持される、X線管のような放射線源112をさらに含む。放射線源112は、回転ガントリ102とともに検査領域106の周りを回転し、検査領域106を横切る放射線を生成して放射するように構成される。イメージングシステム100は、放射線源コントローラ114をさらに含む。放射線源コントローラ114は、発生した放射線のフラックスを変調するように構成される。例えば、放射線コントローラ114は、放射線源112のカソード加熱電流を選択的に変更し、放射線源112の電子フローを抑制するために電荷を印加し、放出された放射線などをフィルタリングし、フラックスを変調されることができる。
イメージングシステム100は、放射線感受性検出器画素116の1次元又は2次元アレイ115をさらに含む。アレイ115は、放射線源112に対向して検査領域106の間に配置され、検査領域106を横切る放射線を検出し、それを示す電気信号（投影データ）を生成する。
アレイは、典型的には、X線光子によって衝突されるカソード側250と、信号が生成される実際のピクセル116を構成するアノードのアレイ内に区画されるアノード側260とを有する、通常1乃至３mm厚の直接変換結晶の構成からなる。本発明が実施されない典型的なアレイでは、アノードは、結晶のアノード側260の更なる金属プレートにある。プレートは、直接互いに接触しておらず、各プレートは、X線光子相互作用に応答してそれ自身の信号を生成する。典型的には電流過渡応答の形のこの信号は、その後、図示されていない読み出し電子回路又は特定用途向け集積回路（ASIC）に接続される。信号は、読み出し回路によって処理されて、検出された光子のエネルギーを示すピーク振幅又はピーク高さを有する電流又は電圧を提供する。したがって、処理された信号の高さは、所定のエネルギー閾値と比較されることができ、対応するカウンタは、光子が処理されるたびにインクリメントされ、1つ又はいくつかの所定の閾値より高いピーク高さを生じる。結晶は、CdTe、CdZnTe、Si、Ge、GaAs、PbOのような適切な直接変換材料又は他の直接変換材料の何れかであってもよい。以下にさらに展開される実施形態の場合、結晶はCdZnTe（CZT）を含むことが提案される。
図2に示すように、X線光子201が直接変換結晶のカソード側250に衝突すると、電子 - 正孔クラウドが結晶内に生成される。 100keVのエネルギーは約22,000電子に相当する。信号に対するホールの寄与は、CZTのような材料であまりにも遅いため、通常は無視できる。そのようなホールは、図に表されていない。電子203は、電界線２０２に後続するアノード側260に向かってドリフトし、特に、アノード側260において異なる形態を有するが、明瞭にするために結晶全体に直線的及び平行に表されている。カソード側250は通常、アノード側260に対して約-300V / mm以上にバイアスされる。クラウド203がドリフトすると、図2Bに示されるように、拡散及び例えばクーロン反発のような他のメカニズムにより膨張する。
説明したように、本発明が実施されていない結晶では、画素116は、アノードを構成する金属プレートによって結晶に外部的に規定される。 2つのアノード261及び262ならびにそれらに対応する画素1161及び1162が図2に示されている。アノードが結晶に外部的に生成されているという事実は、クラウドが2つの画素の境界部近くに生成される場合に問題を生じる。実際、電子203の一部は、隣接画素に対応する電界線に向かって拡散し、元のX線光子が結晶に衝突する態様を反映しない信号を誘導する（図2C参照）。具体的には、アノード261及び262の両方が信号を送出し、1つの単一の相互作用によって生じたにもかかわらず2つのイベントがレジストレーションされる。
【００１０】
本発明の場合、図3に概略的に示されているように、電子203は、クラウドを制限し、電荷の一部が隣接画素にレジストレーションされる可能性を低くする画素境界部の片側又は両側に閉じ込められる。
閉じ込めは不動態化されたブレークライン501を介して結晶の内部で行われる。誘導されたブレークラインはできるだけ少なく画素分解能に影響を及ぼすために非常に薄くなければならない。実際、2つの画素間の間隔は、必要なことに、ブレークラインの幅よりも重要である。非常に細いブレークラインを生成するために、これらは集束イオンビーム（FIB）により誘導される。 FIBは、イオンを用いて結晶から原子を物理的に除去する。 FIBは、TEM検査のためのサンプルの準備のために使用され、検査される結晶の損傷も防止されるべきである。 FIBのイオン衝撃は、周囲の層の損傷が最小限にされるように制御されることができる。これは、他の方法と比較して、結晶欠陥による性能低下を強く低減する。
しかしながら、ドリフト電子203の一部の捕獲、したがって信号への悪影響を最小限に抑えるために測定が行われなければならない。そのような電荷捕獲効果を避けるために、ブレークラインは不動態化される。
不動態化は好ましくは酸化によって行われる。酸化そのものは、例えば酸化プラズマを用いて、何れかの好都合な手段によって、又はより古典的なやり方で、湿式化学的に行われることができる。酸化は、結晶の非常に薄い層、典型的には数ナノメートルで行われる。不動態化は、しばしば使用される側壁不動態化と同様である。この酸化の前に短いエッチングステップを導入して、ブレークライン表面から欠陥を除去することができる。必要であれば、間隙はその後絶縁材料で充填されることができる。
画素間の分離を作り出す別の方法は、酸化物を直接変換材料に導入することである。上述したように物質を物理的に除去する代わりに、例えば、酸化物のイオン注入は、酸化イオンが注入される酸化領域を形成し、隣接する画素によって電荷クラウドが収集されるのを防止する効果がある。
図4a及び図4bは、直接コンバータバルクの断面図を示す。 FIB構造は、画素境界部のすべての側に沿うトレンチ態様構造として理解されるべきである。
ブレークラインは好ましくは、図4aに示すように、電子クラウド203が、アノード側に近づくにつれてより多く消費されるので、アノード側260に生成される。しかしながら、より多くの閉じ込め、より少ない電荷共有は明らかである。このように、図4bに示されるように、アノード側260から生じる非常に深いブレークライン、又は一方はアノード側260から始まり、他方向はカソード側250から始まる、互いに対向する2つの一連のブレークラインの何れかを有する。
このような構成は、結晶の脆弱性の問題を発生する可能性があり、閉じ込め量は結晶の寿命要件に対して慎重に検討されなければならない。
【００１１】
結晶内部にブレークラインを生成することは興味深いかもしれないが、アノード又はカソード側のいずれにも終点を持たないであろう。しかしながら、あまり結晶構造に影響を与えずにそのようなブレークラインを生成する技術は、それほど正確ではなく、前の詳細な構成に付くことが好ましいかもしれない。
最終的には、電子クラウド203のドリフトをさらに制御するために、アノード側は関心材料でドープされることができる。 CZT結晶の場合、典型的なドーピング材料はインジウムである。ドーピングは、アノード構造の近くで電界線をさらに強化することを可能にする（図5参照）。第1のステップにおいて、ドーピング材料は、結晶のアノード側260に堆積される。インジウムは、例えばCZT中に容易に拡散することが知られている。第2のステップでは、レーザビームはそれから、後にアノード構造を規定するCZT領域260を局所的に加熱する。局所的な温度及び照射時間は、拡散領域の深さを規定し、アノードの下にドープ領域を効果的に形成する。続いて、残りの（拡散されていない）インジウムが例えばエッチングにより除去される。ドープ領域の側は、アノード領域全体又はその一部のみを覆う、図5に示される領域とは異なることができる。
先の実施形態のさらなる使用は、画素領域の代わりに、図6に示すように、画素間の領域をドープすることである。これは、電界線を除いた画素間の領域における空間電荷領域の形成を防ぐことができる。そのような空間電荷領域は、重み付けポテンシャル、それ故にアノードの電荷収集特性に影響を及ぼす可能性がある。画素間にインジウムドープ領域を導入することにより、その領域内の何れの捕獲電荷も除去されることが容易になる。
本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されてきたが、そのような図示及び説明は、例示的又は例示的であって制限的ではないと考えられるべきであり、本発明は説明した実施形態に限定されない。
開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求された発明を実施する当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「含む（comprising）」という単語は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に列挙されたいくつかの項目の機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲における参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
2019502099.tif 000003
【図２Ａ】
2019502099.tif 000004
【図２Ｂ】
2019502099.tif 000005
【図２Ｃ】
2019502099.tif 000006
【図３】
2019502099.tif 000007
【図４Ａ】
2019502099.tif 000008
【図４Ｂ】
2019502099.tif 000009
【図５】
2019502099.tif 000010
【図６】
2019502099.tif 000011
【国際調査報告】
2019502099.tif 000012
2019502099.tif 000013
2019502099.tif 000014